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2022년 12월 15일 (목) 00:02 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스마트 필터 그리드 공기청정기 설계

영문 : Design of Smart Filter Grid Air Conditioner

과제 팀명

H.E.P.A

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2017890020 김*호(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2017890004 김*현

서울시립대학교 환경공학부 2017890029 박*현

서울시립대학교 환경공학부 2017890055 이*균

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

세계의 공기청정기 시장 전망 리서치에 따르면 공기청정기의 수요량은 매년 증가하고 있으며 세계의 공기청정기 시장 규모는 2020년 174억 1,000달러로 평가되었으며 연간 시장 규모 증가량은 5.06%로, 2030년에는 629억 8,000만 달러에 이를 것으로 전망하고 있다. 증가한 수요량에 비례해 공기청정기의 기능 및 효율 관련 내용 또한 강조되고 있다. 공기청정기의 부품 중 소모품인 헤파필터의 경우, 필터의 면적 대비 필터링의 효과를 최대화한다면, 공기청정기의 유지비용을 절감할 수 있다. 따라서 본 설계에서는 헤파필터의 필터링 효율을 높이기 위하여 스마트 그리드형 공기청정기를 설계하고자 한다.

헤파필터를 9등분한 뒤 LED 센서 및 카메라를 활용하기 때문에 공기청정기가 막간차압 센서에만 의존하지 않아도 되며, 필터를 전체적으로 교체하는 것이 아닌 특정 부위만 교체할 수 있도록 제작하였다. 동시에 필터를 전면부에서 교체하는 것이 아닌 측면부에서 교체하도록 만들어 필터 교체를 용이하게 할 수 있도록 설계했다.

스마트 그리드형 공기청정기는 크게 하드웨어 부, 소프트웨어 부로 구성된다. 본 설계에 적용되는 독창적인 아이디어는 ‘일반적인 필터를 사용하는 것이 아닌 9등분으로 나누는 것',‘막간차압 센서가 아닌 카메라와 LED 센서를 이용한다는 것', '그레이 스케일을 통해 필터의 사용 용량을 파악한다는 것’등이 있으며 이를 이용해 실제 모형을 제작하였다. 최종적으로 하드웨어 소프트웨어의 기능성, 경제성, 공익성 안전성 등을 고려해 설계작품을 평가하고 그 과정에서의 비용편익 분석을 진행하였다.

내용

개발 과제의 배경

실내공기질 오염은 한정적인 공간에서 외부 대기오염물질 유입과 다양한 건축자재, 생활 및 사무용품으로 인한 실내 오염원에 의해 발생한다. 미국 EPA(United States Environmental Protection Agency)의 통계에 따르면, 사람이 실내공기질에 의해 노출되는 오염물질의 농도가 실외에서 노출되는 대기오염물질에 비해 2-5 배, 때로는 100 배 이상 높다고 발표한 바 있다. 더욱이 사람은 하루 중 80~90 % 이상을 실내에서 생활하고 있어 실내공기질 오염은 실외 오염물질보다 사람에게 더 많은 영향을 끼친다. 공기청정기는 실내공기질을 제어해 인간의 삶의 질을 높이는 데 큰 기여를 해왔다. 또한 연구개발특구진흥재단에서 작성한 ‘글로벌 시장동향보고서'에 따르면 증가하는 대기 오염 수준과 알레르기 및 천식 사례 증가로 인한 공기청정기의 수요가 증가하는 것을 보여주며, 이를 통한 HEPA 필터의 연평균 성장률이 8.6%로 증가할 것으로 추정한다. 또한 산업 환경 분석에 따르면 2019년 공기청정기의 대체재가 에어컨과 같은 공기 질 조절 장치가 있지만, 공기질 유지 대비 비용 비 기기 가격의 격차가 심해 사실상 대체재가 거의 없는 것으로 판단되며 추후 이런 경향이 동일하게 유지될 것으로 예상된다. 이는 공기청정기는 추후 대체재가 없는 유일한 가전기기로 자리매김하게 될 것을 암시한다.

환경부는 지난 2020년,‘제 4차 실내공기질 관리 기본계획’을 마련하여 정부 차원의 중장기적 실내공기질 관리정책을 추진하고 있으며, 그중 어린이, 학생 등 민감계층 이용시설에 대한 공기정화설비 설치 확대 및 사후관리 강화, 다중이용시설의 환기설비 설치·관리 의무 강화, ‘실내공기질 안심시설 인증제도’ 도입 및 활성화 지원 등을 통해 안심하고 머무를 수 있는 실내환경을 조성하고자 한다. 이를 위해 서울시는 200억원 가까이 투입해 245개 역에 3,996대의 공기청정기를 설치했으며, 어린이집 전 보육실 공기청정기 관리비를 월 24,900원 한도 내에서 지원하는 등의 활동을 진행했다. 하지만, 실내 공기질 개선을 위해 설치한 공기청정기의 관리 부실 및 성능미달이 잇달아 적발됨에 따라 공기청정기 유지 및 관리에 대한 대응을 촉구하고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 지하상가의 경우, 지난 7월 지하도상가의 실내공기질 집중 관리를 위해 공기질 자동측정 지점을 늘리거나 일부 노후화된 공기조화설비의 필터를 고효율로 교체하는 등, 공기청정기의 헤파필터 교체 주기를 단축할 것을 계획했으나, 이에 따른 비용에 대한 우려의 목소리는 높아지고 있다.

위와 같은 문제를 해결하기 위해 본 조는 LED 센서와 카메라를 사용해 효율적으로 필터의 유지보수 및 관리가 가능한 스마트 그리드형 공기청정기를 제작했다. 스마트 그리드형 공기청정기의 장접은 다음과 같다. 먼저 필터를 9분할 하여 센서를 통해 각 필터의 사용 용량을 파악한 뒤 국소부위 사용 필터 교체 여부를 판단하는 것이다. 기존의 공기청정기의 경우 필터가 1매로 이루어져 있어 필터 교체 시 필터의 사용 면적과 별개로 전체 교체를 진행해야 한다. 하지만, 필터를 9분할 하여 활용함으로써, 푼할된 필터를 각각 최대한으로 사용할 수 있으며 이를 통해 필터 교체 비용을 감축할 수 있다.

다음 장점은 필터의 교체가 용이하다는 점이다. 기존의 공기청정기의 경우, 필터를 교체하기 위해서는 전면부를 분해하여 필터를 교체해야 하는데, 스마트 그리드형 공기청정기의 경우 필터를 측면부에서 뽑아 교체할 수 있어 필터의 교체 과정이 쉬워진다. 이는 노인과 일부 장애인들과 같은 취약계층이 공기청정기를 관리하기 힘들어 오염된 필터를 교체하지 않고 사용해 발생할 수 있는 건강상의 문제를 사전에 방지할 수 있으며 이는 취약계층을 위한 다중이용시설에서 높은 수요가 예상된다. 또한 교체하는데 많은 시간이 필요하지 않아 다량의 필터를 빠른 시간에 교체하기 쉬워 지하역사나 지하상가와 같이 많은 수의 공기청정기를 이용하는 장소에서의 수요 또한 높을 것으로 추정된다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제를 통해 달성하고자 하는 목표는 다음 세 가지이다.
1. 그리드 형태로 필터를 분리함으로써 오염된 국소 부위의 필터를 선택적으로 교체
2. 차압센서와 광센서를 이용한 정확한 필터의 오염부위 제시
3. R studio를 활용한 필터의 시각적 데이터 제시
본 과제에서는 필터의 오염 부위와 상태를 센서를 통해 정확하게 알려주어 효율적인 필터 교체 시기를 제시하고 필터 교체의 비용을 절감시킬 수 있는 스마트 그리드형 공기청정기 제작 설계를 진행한다. 그리드형 공기청정기에 대한 설명은 다음과 같다.

가장 먼저, 차압센서를 활용하여 필터의 교체 시기를 대략적으로 측정한다. 필터 차압의 상승을 통해 필터에 축전된 먼지의 포화 정도를 알 수 있으며, 갑작스러운 차압의 하강으로 필터의 누출 또는 파열까지 알 수 있는 필터의 수명을 판단하는 척도이다. 필터의 종류에 따라 상이하지만 일반적으로 초기 차압의 2배 이상을 필터의 교체 기준으로 잡고 있다.

차압센서를 통해 필터의 교체 시기를 확인하면 광학센서를 통해 더 상세한 필터의 상태를 측정한다. 광학센서는 LED와 촬영 장치로 구성되어 있으며, 필터의 전면부에서 LED로 단색광을 조사한 상태에서 후면부에서 이를 촬영한다. 촬영된 데이터를 그레이 스케일(Gray scale)  상태로 변경한 후, 각 픽셀의 명암을 수치화하여 특정한 수치를 기준으로 이보다 밝은 경우에는 화이트, 어두운 경우에는 블랙으로 데이터를 변환한다. 이렇게 화이트와 블랙으로 변환된 전체 촬영 데이터에서 블랙도트(픽셀)의 비율을 계산하여 필터의 오염도를 측정하는 방식이다. 이는 그리드 형태로 분리된 필터를 함께 사용함으로써 필터의 오염도뿐만 아니라 주요 오염 부위까지 측정할 수 있게 하여 오염된 부위의 필터만 선택적으로 교체할 수 있으며, 오염되지 않은 필터를 교체함으로써 발생되는 필터의 낭비를 미연에 방지할 수 있다. 

또한 우리는 광학센서와 아두이노를 결합하여 필터의 교체시기 알림과 함께 각 그리드의 필터의 세부상태 등을 시각적 데이터로 제공할 수 있도록 설계한다. 이는 관리의 용이성을 위해 일정 주기마다 일괄적으로 필터를 교체하는 지하철 또는 집단시설·다중이용시설 등에서 더 효율적인 필터의 사용과 유지보수를 가능하게 설계한다. 한편, 일반적으로 필터의 교체를 위해서는 프리 필터, 미디움 필터 등 모든 필터를 제거해야 하는 경우가 대다수이다. 그러나 우리가 설계하는 그리드형 필터의 경우 오염된 부위의 선택적 제거를 위해서 서랍 형태의 그리드를 설계하여 교체가 필요한 부분의 필터만을 쉽게 제거하고 교체할 수 있도록 설계한다. 따라서 차압센서와 광학센서의 연계를 통해 공기청정기용 필터의 교체 시기를 기설정된 값에 따라 정확하게 판단할 수 있으며, 정확한 오염 부위, 오염도를 추가적으로 판단할 수 있다. 이와 함께 그리드형 필터를 설계하여 오염된 필터만을 제거함으로써 필터 교체 비용이 절감되는 효과도 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 최종적으로 다수의 공기청정기를 통합하여 관리해야 하는 시스템을 가진 지하철, 다중이용시설, 실험실 등의 시설에서 효율적인 필터 관리를 통해 실내 공기질의 향상에 기여하는 것이 본 설계의 목표이다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

■ 공기청정기

공기청정기는 입자상이나 가스상의 유해·오염물질 제어, 항균, 탈취나 음이온 공급 등을 통해 자정능력이 없는 실내공기를 인체의 행위에 요구되는 가장 적합한 조건으로 제어하여 실내공기의 질(IAQ: Indoor Air Quality)의 인위적 제고를 목적으로 한다.

- 공기청정기의 성능은 청정화 능력, 적용면적, 정격 풍량, 소음도, 집진효율, 소비전력 및 대기전력에 의해 평가되며, 최근 미세먼지와 초미세먼지가 사회적 문제로 대두되면서 PM2.5 수준의 초미세먼지 제거 기능이 필수적으로 탑재된 고성능 공기청정기의 수요가 증가하고 있음

■ 감지 기술 및 스마트 기술

공기청정기의 주요 기술은 감지 기술, 공기정화 기술, 스마트 기술로 구분할 수 있다.

현재 감지 기술은 초미세먼지 감지센서 기술에 연구개발이 집중되고 있으며 복수의 먼지 감지 및 감지 신호 일치율을 계산하는 미세먼지 분류 기술, 광의 산란광을 이용한 입자 검출 센싱 기술 등이 개발되고 있다. 

- 스마트 기술의 경우 사용자 맞춤 기술로서 센서 최적 배치 기술, 초고온 방전 안정화를 위한 압력 최적화 기술 등이 개발되고 있으며, IoT 기술로서 IoT 연계 복수의 공기정화 시스템 기술, 스마트폰 등 스마트 기기 연동 기술 등이 연구 개발되고 있음

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허조사

■ 칼라 센서를 이용한 먼지필터의 교체시기 알람표시장치 및 이의 동작방법

■ 분리형 그리스 필터

■ 블록 조립되는 대형 에어필터

■ 조립형 필터

2. 특허전략

최신 특허들을 분석한 결과, 다양한 센서를 통한 필터교체 시기 측정 및 필터 교체의 용이성을 위한 장치 기술이 있음을 알 수 있었다. 그러나, 공기청정기의 구획을 나누어 각각의 필터 사용연한을 결정하는 기술이 적용된 특허는 없었기에, 기존 공기청정기 필터 사용도 인식시스템에 물리적 요소인 격자형 필터를 집어넣는 방향으로 특허 진행을 준비할 것이다. 타겟이 될 곳은 필터형 공기청정기를 사용하는 다중이용시설이다. 

• 기술 로드맵

1. 별도의 독립된 기기로 개발되던 제습기, 가습기, 선풍기/공기순환기 등이 공기청정 기능을 공통으로 탑재하면서 다기능 융복합 기기로 개발되고 있다. - 계절가전인 에어컨이 공기청정 기능을 강화하는 추세이며, 선풍기, 공기청정기, 가습/제습기가 합쳐진 제품이 출시되기 시작됨. 또한 소형주택 수요의 꾸준한 증가로 공간효율을 극대화할 수 있는 올인원제품이 시장에서의 경쟁력을 확보할 것으로 예상됨

2. 공기청정기는 대표적으로 내·외부 환경과 연동하여 동작하는 장치이며 가스, 먼지 등 실내환경에 대한 측정 기능, 실내에서의 사람의 위치를 감지하여 대응하는 감응형 공기청정기 등 다양한 제품이 출시 중이다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

■ SWOT 분석

 SO 전략

- 다중이용시설에 스마트 필터 그리드 공기청정기를 공급함으로써 필터의 오염된 부위에 대한 선택적인 교체를 유도하고, 일반쓰레기 감축 실현 및 2050 탄소중립에 기여 - 기기가 필터 그리드의 교체시기를 알려줌으로써 필터 교체 단계의 효율성 증대

 WO 전략

- 점차적으로 그리드형 필터 제작 비용을 낮춤으로써 역사 내 스마트 필터 그리드 공기청정기 공급률 증대 - 다중이용시설의 공기청정기의 필터 교체 관리 미흡으로 인한 공기질 악화를 알리는 등 현재 필터 교체 시스템에 대한 시민들의 인식 제고

 ST 전략

- 필터의 분해 및 조립을 용이하게 함으로써 공기청정기의 유지 및 보수 비용 절감 - 필터 위치에 따른 필터의 소모량 및 교체 시기를 데이터화 함으로써 효율적인 공기청정기 모델 개발 모색

 WT 전략

- 압력센서를 활용한 차압 변화 측정 및 카메라 촬영을 활용한 그레이스케일링을 통해 필터의 교체시기를 정확하게 판단함으로써 기존의 공기청정기 필터 알림 시스템과 차별성 마련 - 국소적인 오염으로 인한 필터의 폐기, 소각, 매립 처리율을 낮추어 환경성 증대

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

■ 그리드를 통한 필터의 유연성 및 교체시기 정밀도 향상

그리드 형태를 통해 분할된 필터를 센서를 통해 개별 파악함으로써 각 필터의 수명을 더욱 정밀히 측정할 수가 있다. 기존의 공기청정기는 지속적으로 먼지가 발생하는 장소에서 사용할 때 필터의 교체시기를 놓칠 경우 실내 공기질 유지가 힘들고 먼지의 재비산을 통해 실내 공기질이 오염될 수 있다. 하지만 그리드 필터를 사용할 경우, 한 개의 그리드의 교체시기가 지나더라도 다른 필터 그리드의 수명이 남아있어 필터 막힘 현상에 의한 재비산을 예방할 수 있어 유연한 필터교체가 가능하며, 이는 지하 역사 및 다중이용시설에서의 사용 역시 기대할 수 있다.

■ 필터 교체의 용이성 증대

본 기술의 공기청정기의 경우 필터를 교체하기 위해 공기청정기를 분해할 필요가 없이 측면에서 교체할 수 있다. 또한 실시간으로 필터에 대한 정보를 확인할 수 있기 때문에 필터 교체시기를 파악하기 쉬워 누구나 쉽게 필터를 교체할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

▪ 일반 공기청정기와 스마트 그리드형 필터 공기청정기의 가동비용 분석 본 설계의 경제성 분석은 공기청정기의 가동에 초점을 맞추어 따르도록 한다. 일반 공기청정기와 스마트 그리드형 필터 공기청정기의 차이는 필터에 있으며, 이에 따른 가동 비용에 차이가 있기 때문이다. 따라서 다음과 같이 산정하였다.

① 공기청정기 가동 비용 구상 일반적으로 다중이용시설에서 사용하는 대형 공기청정기와 우리가 제작하고자 하는 그리드형 필터 공기청정기 가동비용에 대한 상세항목은 다음과 같다. 공기청정기를 가동할 때 소모하는 전력비는 동일하다고 가정하므로 비용 비교 항목에서 제외하였다. 또한 그리드형 필터를 위한 프레임을 제작하는데 소요되는 비용은 대량 제작시 비용 비교에 있어 무시할만한 수준이라고 판단하여 전체 필터의 가격은 동일하다고 가정하였다. 따라서 그리드는 총 9개로 설정하였을 때, 그리드형 필터의 1개 가격은 대형 공기청정기 필터의 가격/9 이다. 마지막으로 그리드형 공기청정기와 대형공기청정기의 교체비용은 동일하다고 가정하였다. 추후 진행할 계산의 편의를 고려하여 a,b,B,c의 기호를 사용하여 각 항목을 나타내면 다음과 같다.

1. 필터 교체 비용 (가) : a*b (나) : a*B/9

2. 필터 교체 인건비 (가) : b*c (나) : B*c

종합하자면, 동일한 기간을 가동할 경우 일반 필터 공기청정기는 a*b+b*c만큼, 그리드형 필터 공기청정기는 (a*B/9)+(B*c)만큼 소모된다.

② 계산

그리드형 필터에서의 가정조건은 다음과 같다. 필터에서 파울링은 국소적으로 이루어진다. 일반적으로 헤파필터의 수명이 6개월이라고 하였을 때, 6+x개월을 쓸 수 있는 그리드는 4개, 6-x개월을 쓸 수 있는 그리드 1개, 6개월을 쓸 수 있는 그리드는 4개라고 가정하였다. 해당 가정은 파울링이 주로 필터의 중심부위 위주로 이루어짐을 근거로 하였으며, 더 나아가 파울링의 특정부위 집중현상이 일어나지 않는다고 하더라도 평균 수명인 6개월보다 더 단축되는 그리드는 많지 않을 것이라고 판단하여 이와 같이 가정하였다.(위의 그림 참고)

1) 연간 필터 교체 비용 각 그리드의 교체주기인 6, 6-x, 6+x의 공배수는 216-6x^2이므로, (216-6x^2)개월동안 그리드형 필터의 교체 비용을 계산해보면 다음과 같다. B = [((216-6x^2)/6)+((216-6x^2)/(6-x))+((216-6x^2)/(6+x))] = 108-x^2 B×(a/9) = (108-x^2)×(a/9) = 12a-(ax^2/9)

한편 동일한 기간동안 일반 필터의 교체비용은 다음과 같다. b = (216-6x^2)/6 = 36-x^2 b×a = (36-x^2)×a = 36a-(ax^2)

2) 필터 교체 인건비 그리드형 필터의 교체 인건비는 B×c = (108-x^2)×c 일반 필터의 교체 인건비는 b×c = (36-x^2)×c

3) 공기청정기 가동 비용((216-6x^2)개월 가동 시) 일반 대형 공기청정기 : a*b+b*c = 36a-(ax^2)+(36-x^2)c = 36a+36c-(a+c)x^2---- (1) 그리드형 필터 공기청정기 : (a*(B/9))+(B*c)=12a+108c-(a/9+c)x^2-------------(2) 위의 두 식을 비교하여 그리드형 필터 공기청정기의 가동 비용이 더 적게 나오게 하기 위한 조건을 분석해볼 필요가 있다.

③ 실제 수치 대입을 통한 비교 그리드형 필터의 가동 비용이 더 적게 나오기 위한 조건을 분석하기 위해 (1) > (2)라고 가정하여 부등식을 풀어보면,

이때, a,c 값은 실제로 지하철 역사 내에서 설치되어 사용하고 있는 ‘에코버 대형 공기청정기’를 통해 구할 수 있다. Q73S(73평형)의 헤파필터[H13, 크기 약 500X250mm=125,000mm^2] 제품의 필터 가격은 33,000원이며, 6개월에 1회 교체 되고 있다. 일반적인 출장비용은 가정용 공기청정기가 4~5만원이지만 이는 새로운 필터에 대한 가격이 포함되어 있는 것이며, 우리는 새로운 필터의 가격을 따로 계산하기 때문에 순수한 출장 비용은 1만원이라고 가정한다. 따라서 a=33000, c=10000이다. 해당 값을 앞서 구한 (3) 식에 대입하면 다음과 같다. x<1.5667 공기청정기의 사용기간은 216-6x^2이며, 216-6x^2>201.27이다. 따라서 그리드형 공기청정기를 가동하였을 때 최소 202개월부터 일반공기청정기와 비교하여 경제적인 이득을 보며, 이후 가동기간이 늘어날수록 그 차익은 커진다고 결론 내릴 수 있다.

▪ 비용-편익 분석 사용기간이 216-6x^2일 때 일반 공기청정기의 가동비용은 약 1,548,000-43,000x^2이며, 반면 스마트 그리드형 필터 공기청정기의 가동비용은 약 1,476,000-13,666.67x^2이다. 사용기간 t= 216-6x^2으로 할 때, 각 가동비용은 다음과 같다. 일반 공기청정기의 가동비용 : 43,000t-7,740,000 스마트 그리드형 필터 공기청정기의 가동비용 : 13,666.67t-1,476,000.72 이를 바탕으로 비용-편익을 분석하면 다음과 같다. B = 29,333.33t-6,263,999.28 C = 13,666.67t-1,476,000.72 이때, 사용시간에 따른 BC그래프를 그려보자. 단, 두 공기청정기에 대해 동일하다고 가정하여 가동비용을 계산할 때 생략하였던 공기청정기를 가동할 때 소모하는 전력비 및 제작비용을 6,263,999.28원이라고 하자.

B(Benefit) = 29333.33t

C(Cost) = 13,666.67t + 4787998.56

스마트 그리드형 필터 공기청정기의 사용시간이 203개월에 도달하였을 때 손익분기점에 도달하고 이후에는 지속적으로 편익이 비용에 비해 더 크다. 따라서 필터의 교체비용이 현 상태를 유지한다면 203개월을 기점으로 순이익이 지속적으로 발생한다고 평가할 수 있다.

② 폐기물 처리비용 구상

　도시철도 지하역사 공기청정기 설치사업에 따르면 지하역사의 공기청정기는 245개역 3,996대이며 해당 공기청정기는 교체주기는 약 12개월이다. 헤파필터의 경우 분리수거가 불가능하며 종량제 봉투에 담아 버려야 하기 때문에 폐기하기 위해서는 종량제 쓰레기 봉투의 가격으로 책정할 수 있다. 고효율필터 폐기물의 저준위하 및 감요 기술 현황에 따르면 고효율 헤파필터를 일반 폐기하기 위해 압축하는 공정의 경우 필터의 부피는 원래 형태의 약 1/8정도로 이루어지며 이를 지하역사에 적용한다면, 공조용 에어필터 단체 표준 제정안에 따라 규격을 610mm x 610mm x 150mm로 설정할 수 있으며 이는 약 55 L 이다. 이를 해파필터 압축 정도와 공기청정기 대수에 따라 비용을 계산한다면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

종량제 쓰레기 봉투가 100L 당 2,500원 임을 가정하면, 약 686,812.5 원/YEAR 로 나타낼 수 있다. 그리드형 필터의 연간 사용 면적이 일반 필터의 80%라고 가정하면 연간 약 137,362.5원을 절약할 수 있다.　이는 향후 전반적인 운영 및 산업폐기물 처리비용산정에따라 정확하게 계산할 수 있다.

■ 사회적 파급효과

- 공기청정기 필터 모니터링 기술의 발전

- 필터 교체 용이성을 통한 취약계층의 접근성 강화

- 필터 자체 교체를 통한 유지 및 보수 비용 감소

- 필터 용량의 시각화를 통한 공기질 문제의 인식 강화

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 공통 분담

- 개발 과제의 개념 설계

- 관련 기술 분석 및 개발 과제의 경쟁력 분석

- 관련 기술 분석 및 차별화

- 재료 선정

- 보고서 작성

◇ 개별 분담

- 김재호 : 광센서 및 압력센서 관련 아두이노 설계, 과제제안서 발표

- 김기현 : 그리드형 헤파 필터 및 fan 개발, 최종설계보고서 발표

- 박상현 : 그리드형 헤파 필터 및 fan 설계, 개념설계보고서 발표

- 이창균 : 그레이스케일링 관련 코드 개발, 상세설계보고서 발표

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

◇ 목적계통도

◇ QFD (Quality Function Deployment)

QFD 도식 과정은 다음과 같다.

Step 1. 고객 요구사항

- 주 고객층은 지하역사 및 다중이용시설이다.

Step 2. 고객 중요도

- 각 항목의 고객 중요도를 1(낮음), 3(보통), 5(높음)로 수치화하여 나타내었다. 제품의 요구사항이 고객의 요구사항과 부합할수록 높게 산정하였고 편의성, 용이성 등은 임의로 산정하여 중요도를 표시하였다.

Step 3. 기술적 요구사항 결정

- 본 설계에서 요구되는 설계변수들을 설정하였다.

Step 4. 고객 중요도와 설계변수와의 관계

- 고객 중요도와 본 설계의 설계변수와의 관계를 기호 ●(높음, 5점), ◎(보통, 3점), ○(낮음, 1점)로 표시하였다.

Step 5. 설계변수 간의 관계

- 지붕에 해당하며 각 설계변수간의 관계를 기호 ●(높음, 5점), ◎(보통, 3점), ○(낮음, 1점)로 표시하였다.

개념설계안

가. HW 부분

본 과제에서 구현할 공기청정기의 하드웨어의 설계방향은 다음 3가지로 나눌 수 있다. 설계 자료 작성, 3D 프린터 출력, 그리고 결과물 분석 및 보완이다. 프리필터는 필터 외각의 프레임이 조립되지 않은 제품을 구매하여 DIY하며, 필터의 경우 헤파필터의 원단을 사용하여 측면 방향으로 뺄 수 있도록 부착한다. 이를 고정하기 위한 필터는 3D 프린터를 통해 제작하며 크기는 너비 1cm, 폭 2cm로 하며 슬라이드 식으로 넣고 빼기 용이하도록 볼록 및 오목 형태로 제작한다. 후단의 경우 FAN을 통해 공기의 흡입 및 배출이 용이하도록 공기청정기의 후단에 설치하는데, 소형 공기청정기의 가동에 사용하는 펜은 120x120mm이나, 우리가 설계하고자 하는 공기청정기는 중형 크기임으로 90x90mm 2개를 사용하여 유량을 맞추도록 한다.
프리필터의 경우 먼지 집진 효율을 테스트하며, 기본적인 기능을 수행하는지 확인한다. 또한 그리드형 헤파필터 및 필터 프레임은 슬라이드 형태로 매끄럽게 삽입 및 사출이 가능한지 확인한다. 만약 그렇지 않을 경우 , 조립형 필터의 프레임의 크기를 조절하도록 한다. 또한, 헤파필터와 필터 프레임 사이의 공간에 의해 먼지가 집진되지 않고 새어나기는지 확인한다. 이때 위와같은 문제가 발생할 경우, 더 정교한 제작을 위해 가능한 3D 프린터 외주업체를 통해 해결하고자 한다. 마지막으로 FAN의 경우 회전수와 소음이 적절한지 확인하도록 한다. 흡입 및 배기가 잘 이루어 지는지 또한 확인하여야 하는데, 실제 FAN의 구조 및 성능 상 흡입하는 쪽이 배출하는 쪽 보다 약하기 때문에 특히 흡입되는 쪽의 값이 중요하다. 따라서 데이터 값만 보고 설계할 시 차이가 발생할 수 있음으로 시제품의 FAN 속도를 조절하면서 흡입 및 소음을 확인하도록 한다.

나. SW 부분

본 과제에서 구현할는 스마트 그리드형 공기청정기의 기능을 위한 코딩은 다음 3가지로 설계 방향을 나눌 수 있다. 설계자료 작성, 공기청정기 가동, 자료 분석 및 제시가 그러하다. 헤파 필터의 표면적 파울링에 따른 압력 변화를 측정하기 위한 소프트웨어 제시는 일반적인 공기청정기 필터 교체 주기를 판단하는 막간차압 2배를 기준으로 한다. 이에 파울링 정도에 따른 막간 차압의 식을 실험으로 나타내고자 한다.
다음은 공기청정기 가동이다. 스마트 그리드형 공기청정기 가동 시 헤파 필터 막의 파울링을 카메라 모듈로 촬영하는데 이때, 사진의 정교성 및 사진 환경을 고정하기 위해 LED 램프를 조사해 쵤영을 보조한다. 쵤영한 사진의 경우 R 프로그램을 통해 그레이스케일링을 진행한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 필터 수명 예측을 위한 실험과정 구성

카메라 촬영을 통한 Black dot의 개수로 필터의 교체주기를 예측하기 위해서는 아래와 같은 2가지의 가정이 필요하다. 통상 막간차압이 2.5배가 생길 경우 교체를 하는 것이 일반적이지만 부분 교체를 해야 하는 금 제품의 특성상 추가적인 실험이 필요하다.

가. 필터의 면적이 N% 가려졌을 때 막간차압이 2.5배이다.

나. Black dot의 개수와 막간차압의 관계를 확인한다.

다. 막간 차압을 중심으로 필터의 가려진 면적과 Black Dot의 개수의 상관관계를 파악한다.

이를 통해서 Black dot의 개수로 필터의 교체주기가 언제 발생하는지 관련식을 도출할 수 있다.실험 진행을 위해 아래와 같은 가정을 한다.

1) 막힌 면적과 Black dot의 개수는 선형관계를 따른다. 실제 헤파 필터는 여러 겹의 다중구조이지만, 단일층이라는 가정 하에 빛이 투과하지 않은 point를 막혔다고 가정하고 시작한다. 이 경우 실제 먼지가 포집된 위치가 아닌 빛의 투과도에 따라 구분하는 것이다. 많은 먼지가 포집될수록 투과도는 떨어지며 이를 적절히 조정해 막힌 면적과 black point의 개수는 선형관계에 있다고 유추할 수 있다.

2) 필터 교체 주기 이전의 막간차압은 선형식을 가정한다. 필터의 교체주기는 Crtical Point지점으로 이 지점을 넘어가게 될 경우 막간차압이 급격하게 증가하는 (지수)식을 따른다. Crtical Point 이전의 값의 상관관계를 구해야 하므로 이는 선형식으로 근사하고 실험을 진행한다.

총 2가지의 실험이 진행되며 각각의 데이터를 근거로 마지막 상관관계식을 도출할 것이다.

가. 필터의 면적이 N% 가려졌을 때 막간차압이 2.5배이다. 1. 실험 방법 1) 아래와 같은 구조로 실험기기를 구성해 1cell에 대한 초기 압력을 측정한다. (Inner sensor의 Isen - p10K와 헤파필터 여분을 이용해 간이 공기청정기 구현 및 실험, 간이 공기청정기 구조는 아크릴판으로 구성, FAN은 기존의 UFAN-08 사용)

2) 이후 A4 용지를 이용해 Hepa Filter의 앞 뒤를 가려 실제 가려지는 면적 대비 막간차압이 2.5배가 되는 시점을 가리는 면적을 5%단위로 늘리며 측정한다. 이때 측정되는 차압은 1초당 1번씩 측정된 압력데이터의 1분 평균값으로 구하였다.

3) 다음과 같은 실험을 총 3회 반복한다.

4) 위 결과 값들을 이용해 Critical point 이전의 경향식을 도출한다.

2. 실험 결과 아래는 각각의 실험마다 데이터 값 및 결과를 도출하였다.

대략 45%정도의 면적이 가려졌을 때 막간차압이 2.5배 이상 차이나기 시작한다. 따라서 45%를 기준으로 다음 실험을 진행하도록 한다.

나. Black dot과 막간차압의 연관관계

1. 실험 방법

필터를 45% 만큼 막았을 경우 막간 차압이 2.5배가 될 때, 직접 오염시켰을 때 만큼의 막간 차압이 발생할 때의 필터 사진을 대조한다. 이때, 3개의 필터를 같은 정도로 오염시켜 이미지 파일을 준비하도록 한다.

1) 코코아 파우더를 40mesh체에 거른 후 점진적으로 1g씩 정량해서 무작위적으로 도포해 막간차압이 2.5배가 되는 시점을 찾는다.

2) 코코아 파우더로 필터를 막았을 때 막간 차압이 2.5배가 되는 시점의 필터 사진 확보 (카메라의 경우 OV2640 Aduino CAM사용)

3) 2)의 사진을 색도 조절을 통해 막힌 넓이만큼 나올 때 까지 실험을 진행(수식으로 나타냄)

- 1)과 같은 넓이를 가지는 색도를 조절해 색도를 맞춤

- 2)에서 나타낸 넓이와 (1) 사진이 가지는 색도에 관련된 수식을 세움

- 해당 수식을 적용

3. 실험 결과 아래는 그레이 스케일링을 통해 나타낸 필터 사진이다. 전체 실험값이 64% 73% 67%의 면적을 나타내고 있으므로 평균값인 68%의 면적을 막간차압의 2.5배로 삼았다.

다. 그레이 스케일링 면적 68%(입자고려 78%)일 때 막간 차압이 2.5배 발생한다.

1. 결론 : 이번 필터에서 사용된 색도가 50%일 때 전체 면적대비 68%에서 막간차압 2.5배가 나왔다. 실제 필터의 면적이 45%가 가려졌을 때 전체 면적대비 68% Black dot의 개수를 통해서 연관관계를 파악할 수 있다. 실험을 반복적으로 진행하며 Black dot의 개수와 막간차압 그리고 실제 면적대비 선형관계식을 통해 필터의 정확한 수명예측이 가능하다.

2. 검증 및 한계 : 모든 실험은 필터가 단층이라는 가정 하에 진행되었다. 더불어 헤파필터의 종류에 따른 차이가 반드시 존재할 것이라고 보인다. 하지만, 대부분 공기청정기 성능실험에서 헤파 필터의 종류와 무관하게 막간차압의 관련된 선형적인 관계를 띄므로 실제 대형공기청정기 사용 시 충분한 검증 및 실험을 통해 적용될 수 있을 것이다.

상세설계 내용

가. 조립도

◇ 전체적인 3D 모델링과 그 부분들을 나누어 각 부분 마다의 설계 치수를 나타내면 아래와 같다.

나. 부품도

다. 제어부 및 회로 설계

◇전체적인 회로설계를 회로도로 나타내면 아래와 같다.

라. 소프트웨어 설계

◇아두이노에 컴파일 되는 코드는 아래와 같다.

1. 차압센서 및 LED 구동(카메라 구동 제외)

2. Rstudio를 통한 그레이스케일

스마트 그리드형 공기청정기의 핵심 기술은 아두이노 센서를 통해 수집한 데이터를 통해 일반적인 사진 이미지를 그레이스케일을 한 뒤 각 픽셀의 RGB 값을 추출해 특정 색도 이하의 값을 count 하는 수식이다. 해당 수식을 보조하기 위해 다음과 같은 과정을 통해 데이터를 가공해야한다.

(1) Rstudio library를 다운받아 원하는 이미지를 흑백조(gray scale)로 변환한다. 이때, 공기청정기의 내부에서 이론적 계산에서 확인한 A에서 A색도의 값을 넣어 변환해 주도록 한뒤, 사진의 크기를 400X400으로 고정한다.

(2) 이미지 파일에서 색을 추출하는 함수를 만들어 흑백조의 사진을 색으로 count할 수 있도록 한 뒤, 색도를 조절한 값을 이미지의 RGB 값의 변수로 설정해 저장한다.

(3) 추출한 이미지 파일을 통해 count하는 함수를 지정한 뒤 실시 설계 하도록 한다.

마. 자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

◆ 그레이스케일링 및 차압 변화 감지의 정교성을 높인다면 필터의 교체시기를 더 정확히 판단할 수 있을 것이다.

◆ 본 제품의 UI를 스마트폰 어플과 연동한다면, 신속하고 정확한 필터의 오염정도 식별이 가능해지며, 더 나아가 다중이용시설을 사용하는 시민에게 투명한 정보를 제공할 수 있다는 점에서 공익을 창출할 수 있다.

◆ 머신러닝 기술을 접목하여 일부 그리드에서만 오염이 빈번하게 발생함을 발견할 수 있다면, 해당 기기를 사용하는 시설에서 어떠한 오염원이 주된 원인인지를 추론하고 개선점을 마련할 수 있다는 점에서 공익을 창출할 수 있다.

◆ 대량 생산을 통한 원가절감을 이루어낼 수 있다면 경제성 측면에서 발전 가능성이 있을 것이다

부록

A-1 참고문헌 및 참고사이트

1) 이형권 외 13인. ‘HEPA 필터의 차압과 수명 평가 (pp.1-5)’. 한국원자력학회

2) 송수영 외 2인. ‘소형 공기청정기 필터 차압 및 속도변화에 대한 연구’. 2018 한국유체기계학회 동계학술대회 논문집

3) 김준태 기자. ‘서울시, 지하도상가 공기질 자동측정기 확충…관리 강화. (2022.07.04.)’. 연합뉴스

4) 장진복 기자, 이하영 기자. ‘서울시, 지하철 공기청정기 감사 착수…기기 성능·업체 선정 의혹. (2022.09.27.)’. 서울신문

5) 노진희. ‘IoT 연계 생활공기제품’. 특집: AI, 빅데이터&IoT 공기산업의 현재와 전망

6) 환경부. ‘실내공기질 관리 기본계획(2020~2024)’

7) 김용빈, 이상훈, 문용승, 허경재, "블록조립되는 대형 에어필터"(2004), 키프리스

8) 서울신문, "지하철 승강장 대용량 공기청정기 필터 자주 교체해야", 온라인뉴스부, 2021.06.25

9)데일리경제, "심각한 서울시 지하철 역사 내 미세먼지, 제대로 된 대책이 필요하다", 2019.12.17

10)에코타임스, "실내공기질 안심시설 인증제도 도입한다", 전용훈, 2020.02.05

A-2 별첨